Мультиплексоры и демультиплексоры.

Мультиплексоры осуществляют подключение одного из входных каналов к выходному под управлением управляющего (адресующего) слова. Разрядности каналов могут быть различными, мультиплексоры для коммутации многоразрядных слов составляются из одноразрядных.

Рис. 2.9. Упрощенное представление мультиплексора многопозиционным ключом (а) и реализация мультиплексора на элементах И-НЕ (б)

Входы мультиплексора делятся на две группы: информационные и адресующие. Работу мультиплексора можно упрощенно представить с помощью многопозиционного ключа. Для одноразрядного мультиплексора это представлено на рис. 2.9, а. Адресующий код А задает переключателю определенное положение, соединяя с выходом F один из информационных входов х_i. При нулевом адресующем коде переключатель занимает верхнее положение Х₀, с увеличением кода на единицу переходит в соседнее положение x_i и т. д.

Схемотехнически мультиплексор реализует электронную версию показанного переключателя, имея, в отличие от него, только одностороннюю передачу данных. На рис. 2.9, б показан мультиплексор с четырьмя информационными входами, двумя адресными входами и входом разрешения работы. При отсутствии разрешения работы (Е = 0) выход F становится нулевым независимо от информационных и адресных сигналов.

Демультиплексоры выполняют операцию, обратную операции мультиплексоров — передают данные из одного входного канала в один из нескольких каналов-приемников. Многоразрядные демультиплексоры составляются из нескольких одноразрядных. Условное обозначение демультиплексоров на примере размерности "1—4" показано на рис. 2.11.

Нетрудно заметить, что дешифратор со входом разрешения работы будет работать в режиме демультиплексора, если на вход разрешения подавать информационный сигнал. Действительно, при единичном значении этого сигнала адресация дешифратора (подача адресного кода на его входы) приведет к возбуждению соответствующего выхода, при нулевом — нет. А это и соответствует передаче информационного сигнала в адресованный выходной канал. В связи с указанным, в сериях элементов отдельные демультиплексоры могут отсутствовать, а дешифратор со входом разрешения часто называется дешифратором-демультиплексором.

Рис. 2.11. Условное обозначение дешифратора-демультиплексора

 

Цифровые компараторы. Схемы контроля ЦУ. Мажоритарные элементы.

Цифровые компараторы.

Компараторы (устройства сравнения) определяют отношения между двумя словами. Основными отношениями, через которые можно выразить остальные, можно считать два — "равно" и "больше".

Функции, вырабатываемые компараторами: они принимают единичное значение (истинны), если соблюдается условие, указанное в индексе обозначения функции. Например, функция F_{a - в} ⁼ 1, если А = В и принимает нулевое значение при А ≠В. Приняв в качестве основных отношения "равно" и "больше", для остальных можно записать:

f_a≠b= f_{a = b}; f_a<b = f_b>a; f_a;>b=f_b>a; f_a≤b=f_a>b

Эти отношения используются как логические условия в микропрограммах, в устройствах контроля и диагностики ЭВМ и т. д. В сериях цифровых элементов обычно имеются компараторы с тремя выходами: "равно", "больше" и "меньше" (рис.34.1). Для краткости записей в индексе выходных функций указывается только слово А.

Рис.34.1. Условное обозначение компаратора с тремя выходами

Устройства сравнения на равенство строятся на основе поразрядных операций над одноименными разрядами обоих слов. Слова равны, если равны все одноименные их разряды, т. е. если в обоих нули или единицы. Признак равенства разрядов:

r_i = a_ib_i \/ a_ib_i = a_ib_i \/ a_ib_i = a_ib_i a_ib_i = ai + bi.

Признак неравенства разрядов:

r_i = a_ib_i \/ a_ib_i = a_ib_i \/ a_ib_i = a_ib_i a_ib_i = ai + bi

Признак равенства слов:

R = r_n-1 r_n-2...r₀.

Схема компаратора на равенство в базисе И-НЕ показана на рис.34.2, а.

Рис.34.2. Схемы компараторов на равенство (а, б)

Схема без парафазных входов (рис.34.2, б) основана на выражениях для г_i, преобразованных следующим образом:

r_i = a_ib_i \/ a_ib_i = ai(a_i \/ b_i) \/ b_i (a_i \/ b_i) = a_ia_ib_i \/ b_ia_ib_i

Цифровые компараторы применяются для выявления нужного числа (слова) в цифровых последовательностях, для отметки времени в часовых приборах, для выполнения условных переходов в вычислительных устройствах, а также в адресных селекторах.

Схемы контроля ЦУ. В некоторых случаях контроль жизненно важен (авиационные приборы, управление мощными энергетическими установками, мониторинг пациентов в клиниках и др.). Причинами нарушения нормальной работы ЦУ могут быть отказы (т. е. нарушения из-за возникших неисправностей, имеющих постоянный характер) и сбои (т. е. нарушения из-за проявлений неблагоприятных факторов, в частности, помех, которые в дальнейшем могут и не проявиться). Цели и задачи контроля, диагностики и исправления ошибок в ЦУ могут быть разными. Задачи выявления ошибок решаются разными методами. Можно, например, воспользоваться дублированием ЦУ и сравнением результатов работы двух идентичных устройств. Несовпадение результатов в этом случае рассматривается как признак ошибки (хотя вероятность того, что ошибка появилась в контролируемом устройстве, а не в контролирующем равна всего 50%). Для выявления ошибок используются специальные коды, более сложные, чем двоичные.

Можно ставить задачи маскирования (исправления) ошибок. В этом случае наличие ошибок определенного типа и количества не нарушает работу устройства, поскольку их влияние устраняется автоматически. В этой области используется, например, троекратное резервирование устройств с выработкой результата путем "голосования" с помощью мажоритарных элементов. Эти элементы вырабатывают выходные данные "по большинству" входных. Если из трех устройств одно стало работать неправильно, это не скажется на результате. Только ошибка в двух из трех каналов проявляется в результате. Отметим, что добавление к функциям устройств функций контроля всегда связано с избыточностью — платой за новые возможности будут дополнительные аппаратные или временные затраты. Вводимая избыточность — это цена контроля. В частности, метод дублирования ценен своей универсальностью, но дорог, для него избыточность составляет около 100%. К таким схемам контроля ЦУ относятся мажоритарные элементы, схемы контроля по модулю 2 и схемы кодирования-декодирования для кодов Хемминга.

Мажоритарные элементы. Задача мажоритарного элемента — произвести "голосование" и передать на выход величину, соответствующую большинству из входных. Ясно, что мажоритарный элемент может иметь только нечетное число входов. Практически выпускаемые элементы имеют по три входа или по пять входов. Функционирование мажоритарного элемента, на входы которого поступают величины F₁, F₂, и F₃ и по результатам голосования вырабатывается выходная величина F, представлено в табл.34.1. Если имеется в виду контроль многоразрядных слов, то в каждом разряде ставится элемент рассматриваемого типа. Кроме выхода F, в таблице даны и выходы а₁, а₀ — старший и младший разряды двухразрядного кода, указывающего номер отказавшего канала (рис.34.3).

Рис.34.3. Схема голосования с мажоритарным элементом.

Из таблицы легко получить функции, которые после несложных преобразований приводятся к следующим:

F = F₁F₂\/F₁F₃\/ F₂F₃, a_l = F₂ + F₃, а₀ = F₁ + F₃.

В схемах типа рис.34.3 от мажоритарного элемента требуется особенно высокая надежность, т. к. его отказ делает бесполезной всю схему резервирования.